軟土地層淺埋暗挖通道凍結法施工數值模擬

李海峰

軟土地層淺埋暗挖通道凍結法施工數值模擬

李海峰

摘 要：結合天津地鐵2號線2號出入口通道工程，介紹了在天津含水軟土地層條件下，采用凍結法的淺埋暗挖施工技術。應用有限元軟件ANSYS，對施工進行了數值模擬分析。結果表明，施工過程中洞室結構穩定，凍結法淺埋暗挖施工方法可行，并可實現洞內施工安全和地面沉降的控制要求，解決了明挖施工對城市交通的干擾。

關鍵詞：隧道工程；軟土；淺埋暗挖；凍結法；數值模擬

李海峰：中國鐵建十三局集團有限公司，高級工程師，天津 300300

在沿海地區，地下水位線多位于地下1 m左右，地下75 m范圍內的地層主要由濱海—淺海相的黏性土與砂性土組成，尤其是40 m以內以飽和軟弱黏性土為主，在這種軟弱地層中的淺埋暗挖隧道施工存在的問題較多，面臨的風險較大。同時，由于經濟性、地層的復雜多變以及特殊的環境條件，在未來一個相當長時期內，對地層有較強適應性和高度靈活性的淺埋暗挖法仍會在城市地鐵隧道中得到不斷完善使用。凍結法對地層的適應性較強，凍結加固面強度和形狀可靈活選擇，作為一種成熟的施工方法，在國內外被廣泛應用于城市建設和煤礦建設中。

1　工程概況

天津地鐵2號線津赤路站是天津市地鐵快速路網工程，車站全長206.1 m，全部位于直線上，共設3個出入口，2座風道設在主體結構兩端的南側，1、3號出入口設在衛國道南側人行道與車站主體之間。2號出入口設在衛國道北側，出入口通道橫向正交穿越衛國道。2號出入口通道為矩形結構，埋深淺，所處地層主要為粉質黏土、粉土、粉細砂層，土質不均，多呈層狀或互層狀，結構外緣距北塘排污河約5 m。明挖法施工中不可避免對城市交通、生產和生活產生嚴重干擾，淺埋暗挖法修建則必須對地層進行加固后方可施工，施工難度較大。綜合考慮各種因素，2號出入口通道采用暗挖凍結法施工。

2　凍結法施工

在國內城市地鐵建設中，凍結法施工工藝在上海、北京、深圳等城市被廣泛應用于聯絡通道或盾構端頭井地層加固等部位。凍結法加固地層能否成功，與凍結施工參數的選擇以及凍結機組是否能夠保證連續正常運轉相關。在聯絡通道地層凍結加固中，如果凍結壁(凍土帷幕)與聯絡通道洞口周圍圍護結構凍結不好，會引起凍結壁與圍護結構之間漏水；如果凍結壁承載力不足，或凍結壁厚度和溫度沒有達到設計要求，在打開洞門時會引起凍結壁嚴重變形甚至破壞，嚴重威脅結構安全。

2.1凍結法施工方案設計

在衛國道兩側設凍結工作坑，工作坑斷面尺寸為7.1 m×15 m，將2號出入口通道從中間分成2段，使用2臺鉆機對凍結孔南、北兩側同時鉆進施工。首先進行南側通道凍結，北側通道凍結滯后南側15天開始凍結。南、北橫通道均一次凍結全長，最大凍結長度為45 m。2號出入口通道施工步序如圖1所示。

2.2凍結壁計算

假定凍結壁為整塊板塊承受水土壓力，凍結壁厚度的計算公式為：

式（1）中，h為凍結壁厚度，m；k為安全系數，取2.0；β為系數，取1.2；P為凍結壁承受的水土壓力，MPa；D為開挖直徑，m；σ為凍結壁的抗拉強度，MPa。

將有關參數代入式（1）可得到凍結壁厚度為：

2.3凍結孔布置與凍結壁形成預計

凍結孔布置和凍結壁形成預計如圖2、3所示。凍結孔沿通道呈放射狀鉆進，通道凍結孔開孔位置間距見圖2，開孔角度錐度為7‰～8‰。根據粉黏土凍結壁的擴展速度，向內為20 mm/天，向外18 mm/天，相鄰2凍結孔之間為28 mm/天，設計凍結壁最遲交圈時間為33天。

圖1　2號出入口通道凍結施工步序

圖2　凍結孔布置圖 （單位：mm）

圖3　凍結壁結構形成圖 (單位：mm)

2.4凍結施工流程

凍結施工工藝流程如圖4所示。

3　施工模擬計算分析

采用ANSYS10.0大型有限元計算程序，對淺埋暗挖凍結法施工進行數值模擬分析。為減少邊界約束效應，計算范圍按左右邊界距隧道中心線距離不小于4倍洞跨徑考慮，底部邊界距隧道底部的距離按不小于4倍隧道高度考慮。隧道埋深按4.7 m，整個計算模型尺寸為60 m ×30 m，計算模型如圖5所示。土體和加固區采用plane42單元模擬，支撐采用beam3單元模擬。支撐、加固區布置和開挖步序同圖1。

3.1計算參數選取

3.1.1地層計算參數選取

地層計算參數按表1選取，所有地層均滿足M-C屈服準則。

3.1.2支護和凍結壁計算參數選取

初期支護及臨時支護為C20混凝土噴層，支護和凍結壁的物理力學指標見表2。

3.1.3開挖方案及施工荷載釋放系數

計算中，開挖施工步序按設計情況考慮。對于上臺階施工，當開挖荷載釋放35%時，施作拱部初期支護；在下臺階施工過程中，當開挖荷載釋放40%時，施作下部初期支護。

3.2計算結果

3.2.1位移計算結果

各施工步序地層豎向位移如圖6所示，水平位移如圖7所示。由圖6、7可見，最大豎向位移為7.5 mm，最大水平位移為9.5 mm，最大水平收斂為15.7 mm。凍結后周邊地層位移較小，因此洞室相對穩定。

圖4　凍結施工流程圖

圖5　有限元計算模型

表1　地層物理力學指標

表2　計算參數

圖6　各施工步序豎向位移計算結果 （單位：mm）

圖7　各施工步序水平位移計算結果 （單位：mm）

圖8　各施工步序彎矩計算結果 （單位：N·m）

圖9　各施工步序軸力計算結果 （單位：N）

3.2.2內力計算結果

各施工步序下初期支護的彎矩及軸力如圖8、9所示，由圖8、9可見，彎矩最大值為116.65 kN·m，最大彎矩處軸力值為185.39 kN。經驗算，滿足以30 cm厚的C20噴射混凝土、工I16鋼架作為初期支護的強度要求。

3.2.3地表沉降計算結果

各施工步序下地表沉降曲線如圖10，其最大地表沉降為7.53 mm。參照上海市對城市隧道施工的相關規定，暗挖隧道施工過程中，地表最大沉降值不應超過30 mm，以此可見施工過程中地表沉降滿足要求。

圖10　地表沉降曲線

4　結束語

天津地鐵2號線津赤路站2號通道采用淺埋暗挖凍結法施工，通過對凍結過程的嚴格控制，達到了設計要求，為天津地區目前較為成功的凍結加固方案。凍結法工藝可有效隔絕地下水，其抗滲性能好，適用于含水量高、土質松散、不穩定的地層，凍結壁的形狀和強度可根據施工及地質條件靈活布置和調整，凍結結束后不影響地下結構。在凍結施工過程中應避免凍結系統停機以保證凍結的連續性并加強施工監測，才能使施工安全得到有效的保障。

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責任編輯 朱開明

Numerical Simulation of Shallow Buried Tunneling Frozen Method for Construction in Soft Soil Layer

Li Haifeng

Abstract:Taking into consideration of entrance and exit No. 2 construction project on Tianjin metro line 2, the paper introduces the freezing method under the condition of aqueous soft soil layer in Tianjin by adopting the shallow buried tunneling construction technology. By using the finite element software ANSYS, numerical simulation analysis is made on the construction. The results show that the structure is stabile in the cavern construction process, and the freezing method for shallow buried tunneling is feasible, and it can meet the requirement of the construction safety and surface settlement control, and eliminate interruption of open cut construction to the urban surface traffi c.

Keywords:tunnel engineering, soft soil, shallow buried tunneling, freezing method, numerical simulation

收稿日期2014-11-10

中圖分類號：U455.49